可編程微波爐控制器的設計

隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，在涉及通信、國防、航天、醫學(xué)、工業(yè)自動(dòng)化、計算機應用、儀器儀表等領(lǐng)域的電子系統設計工作中，EDA技術(shù)的含量正以驚人的速度上升；電子類(lèi)的高新技術(shù)項目的開(kāi)發(fā)也日益依賴(lài)于EDA技術(shù)的應用。設計者的工作僅限于利用軟件的方式來(lái)完成對系統硬件功能的描述，在EDA工具的幫助下并應用相應的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的設計結果。盡管目標系統是硬件，但整個(gè)設計和修改過(guò)程如同完成軟件設計一樣方便和高效，從而使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期大為縮短、性能價(jià)格比大幅提高。不言而喻，EDA技術(shù)將迅速成為電子設計領(lǐng)域中的極其重要的組成部分。
1 系統硬件設計框圖
本系統設計采用Altera MAXⅡ系列性?xún)r(jià)比較高的EPM240T100C5可編程邏輯器件作為信號處理及系統控制核心，完成包括分頻、計數、顯示等一系列工作，結合所需的外圍模塊，組成一個(gè)最小系統，完成按鍵控制、LED顯示、音頻提示?？傮w設計如圖1所示。

利用CPLD/FPGA可編程的特點(diǎn),使電路大為簡(jiǎn)化，利用軟件Quartus II和硬件描述語(yǔ)言VHDL對數字系統進(jìn)行編程、調試和仿真，使得設計、調試方便便捷，充分地發(fā)揮了CPLD/FPGA的優(yōu)勢及特點(diǎn)。
2 微波爐控制器的整體設計方案
　根據該微波爐的功能設計要求，軟件設計可由：分頻器、狀態(tài)控制器、 數據裝載器大、計時(shí)器、顯示器、微波加熱信號鎖存器6個(gè)模塊組成。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

2.1 分頻器fredivn的設計
　在接口電路中,時(shí)鐘信號的作用至關(guān)重要，一般CPLD的外部時(shí)鐘信號可達到幾十MHz，但是由于一些接口電路的特性所致，這樣高頻率的時(shí)鐘不適合電路工作，所以應該引入時(shí)鐘分頻電路產(chǎn)生適合接口的工作頻率。分頻模塊的設計用于產(chǎn)生合適的掃描時(shí)鐘、計數時(shí)鐘和閃爍時(shí)鐘，其外部接口如圖3所示。時(shí)鐘發(fā)生器的輸入是全局時(shí)鐘clk，是從50 MHz的石英晶振得到的信號。輸出信號是掃描時(shí)鐘clk 1 kHz、clk 5 Hz和clk 1 Hz。
部分關(guān)鍵程序如下：
------1 kHz分頻---------------
process(clk)
variable count0:integer range 0 to 24999;
begin
if clk'event and clk='1' then
if count0=24999 then
clk0=not clk0;
count0:=0;
else count0:=count0+1;
end if;
end if;
clk1kHz=clk0;
end process;
------5 Hz分頻---------------
process(clk0)
variable count1:integer range 0 to 99;
begin
if clk0'event and clk0='1' then
if count1=99 then clk1=not clk1;count1:=0;
else count1:=count1+1;
end if;
end if;
clk5 Hz=clk1;
end process;
-----1 Hz分頻-----------------
process(clk0)
variable count2:integer range 0 to 499;
begin
if clk0′event and clk0=′1′ then
if count2=499 then clk2=not clk2;count2:=0;
else count2:=count2+1;
end if;
end if;
clk1Hz=clk2;
end process;
end;

2.2 狀態(tài)控制器state的設計
　通常狀態(tài)機是控制單元的主體，它接收外部信號及數據單元產(chǎn)生的狀態(tài)信息，產(chǎn)生控制信號。微波爐狀態(tài)控制器state的功能是控制微波爐工作過(guò)程中的狀態(tài)轉換，并發(fā)出有關(guān)控制信息，因此可用一個(gè)狀態(tài)機實(shí)現。通過(guò)對微波爐工作過(guò)程中的轉換條件及輸出信號進(jìn)行分析，可得到其狀態(tài)轉換圖如圖4所示。

該狀態(tài)機有8個(gè)狀態(tài)。當狀態(tài)機的reset信號為0時(shí)，狀態(tài)機復位到idle狀態(tài)，當reset信號為1時(shí)，狀態(tài)機處于工作狀態(tài)或待機狀態(tài)。狀態(tài)機的轉換關(guān)系是:當前狀態(tài)是idle狀態(tài),在時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí),如果輸入信號test=0或stall_1=0或stall_2=0或stall_3=0,則轉入下一狀態(tài)tap1或tap2或tap3或tap4, 否則仍停留在idle狀態(tài),實(shí)現了微波爐上電復位時(shí)處于待機狀態(tài)。當test=0時(shí)，狀態(tài)機轉入測試狀態(tài)tap1。當stall_1=0或stall_2=0或stall_3=0時(shí)，狀態(tài)機轉入檔位狀態(tài)tap2或tap3或tap4其中一個(gè)狀態(tài)后,而這三個(gè)狀態(tài)之間也可以相互轉換。在每一個(gè)檔位狀態(tài)內，同時(shí)也嵌入了計數狀態(tài)tap5，只要設置好輸入時(shí)間，如果start=0則可以進(jìn)入計時(shí)狀態(tài)，否則仍停留在其中狀態(tài)之一內。當處于計時(shí)狀態(tài)時(shí)，如果stop=0，則轉入停止狀態(tài)tap6，使微波爐處于停止工作狀態(tài)，而停止狀態(tài)tap6與計時(shí)狀態(tài)tap5之間也是可以相互轉換的，當start=0，則轉回計時(shí)工作狀態(tài)，否則仍停留在停止狀態(tài)tap6。當計時(shí)完畢，則由計數器輸出done=1信號，從計時(shí)工作狀態(tài)tap5轉換到結束狀態(tài)tap7。不管處于哪個(gè)狀態(tài)，只要reset為0，則狀態(tài)機會(huì )立刻轉換為初始狀態(tài)idle。
　狀態(tài)機state的外部接口如圖5所示。

2.3 數據裝載器data的設計
　數據裝載模塊的控制信號基本是從狀態(tài)機輸出的信號中得到的。其功能主要是實(shí)現時(shí)間數據的輸入、微波爐控制器當前狀態(tài)數據的輸出。當處于復位狀態(tài)時(shí)數據“0000 0”將會(huì )送到寄存器內，寄存器再把數據送到數據輸出端口；在測試狀態(tài)時(shí)數據“8888 8”會(huì )被送到寄存器內，寄存器再把數據送到數據輸出端口；在結束狀態(tài)時(shí)數據為“donE 0”會(huì )被送到寄存器內，寄存器再把數據送到數據輸出端口。在啟動(dòng)檔位時(shí)，檔位數據也會(huì )被輸入到寄存器中，這時(shí)就可以輸入時(shí)間數據，時(shí)間數據的輸入有4位——分高位min_h、分低位min_l、秒高位sec_h、秒低位sec_l，每一個(gè)時(shí)間數據的輸入也會(huì )送到寄存器內，再送到數據的輸出端口。其中bn和sn是閃爍使能信號的輸出。數據裝載器的輸入與輸出端口如圖6所示。